三相異步電動機絕緣故障分析與處理

陳金剛，侯昭霆，孫劍超

三相異步電動機絕緣故障分析與處理

陳金剛，侯昭霆，孫劍超

（德州恒力電機有限責任公司，山東德州 253005）

為保證電機絕緣良好，避免引起不可修復的電器絕緣故障，主要講述三相異步電動機絕緣故障的種類和特點，對電機繞組的對地絕緣擊穿，相間絕緣損壞和匝間絕緣短路的故障表現形式和預防處理措施進行重點闡述。

對地絕緣 相間絕緣 匝間絕緣 電機繞組 絕緣擊穿 絕緣材料

0 引言

三相異步電動機的絕緣包括對地絕緣、相間絕緣和匝間絕緣。其中，對地絕緣指三相繞組對定子鐵芯和機殼及端蓋之間的絕緣；相間絕緣指三相繞組之間的絕緣；匝間絕緣指繞組線圈各匝之間的絕緣。

造成三相異步電動機損壞的主要原因是對地絕緣故障，其次是相間絕緣故障，再次是匝間絕緣故障。電機的絕緣性能由絕緣材料本身性能和生產加工制造工藝決定，絕緣材料是電機絕緣可靠性的基礎。電機的絕緣材料既包括電磁線、引接線等導電材料本身的絕緣材料，也包括生產加工過程中的絕緣紙、絕緣管、絕緣漆、云母帶等增強性絕緣材料。絕緣材料的耐熱等級是一個非常關鍵的性能指標，應與電機的溫升控制水平相匹配。本文主要研究加工制造及裝配過程的三相異步電動機絕緣故障產生原因及處理措施。

1 對地絕緣故障的主要發生部位和產生原因及處理措施

電機對地絕緣故障按發生位置可以分為繞組與鐵芯、繞組與機座、繞組與端蓋，以及引接線與關聯零部件的對地絕緣故障。1）繞組與鐵芯的對地絕緣故障，大多發生在槽口位置，如圖1所示。鐵芯的對地絕緣故障產生與鐵芯的彈開及繞組的端部擴口和整形有關，鐵芯繞組槽滿率高的產品，絕緣接地故障比重較大。繞組絕緣接地的另一個位置是槽內，主要可能是鐵芯槽內不平整、有異物等原因，導致槽底絕緣損壞，也可能是槽內絕緣尺寸不符合或發生扭斜所致。對于不同的絕緣處理工藝，修復的可能性不一樣；對于采用真空壓力浸漆的繞組，絕緣漆固化后成為不可還原的固態，修復的難度較大，特別是鐵芯槽內的絕緣故障，基本上不可修復。對于繞組與鐵芯槽口的對地故障，緣于槽口形狀的特殊性，當發生對地故障時，很有可能電磁線的漆膜已破損，即使修復了對地絕緣故障，發生匝間絕緣的可能性也較大。針對這類故障，修復對地故障的同時，需要對匝間絕緣進行修復。2）繞組與機座和端蓋的對地故障，一般情況下，繞組與機座及端蓋應有一定的空間距離，但是對于物理空間比較緊張，特別是繞組端部整形不規范的情況，在電機定子壓入機座，特別是裝配成整機后，出現繞組與機座或端蓋實質性的接觸，這樣極容易造成對地絕緣故障。如圖2所示。繞組與機座和端蓋的對地故障故障通常具有一定的規律性，一是產品規格的集中，二是對地故障點相對固定。該類故障點大多集中在繞組引接線與本線焊接，以及引接線出機座的位置。為了避免這類故障的發生，繞組加工的工藝性至關重要；繞組開口位置、大小、與機座出口的相對位置控制，以及引接線的分布處理，都會影響最終的整體效果。3）引接線的對地絕緣故障，定子引接線經過一定的路徑，當所經過的路徑中存在尖銳的毛刺或銳邊，可導致引接線絕緣護套破損，造成直接對地故障，機座出口位置容易出現該類故障，如圖3所示。主要是因為機座毛坯質量較差，機械加工中的金屬屑，裝配過程的野蠻操作都會造成引接線對地絕緣損傷擊穿故障。

2 相間絕緣故障的發生部位和產生原因

相間絕緣故障是指電機繞組或繞組附屬部件不同相之間發生的絕緣擊穿現象。相間絕緣故障可能發生在鐵芯槽內，引接線之間，接線板位置，大多發生在繞組的端部位置。1）鐵芯槽內的相間故障，三相電機雙層繞組，存在兩相繞組線圈放置在同一槽內的情況，兩相線圈通過層間絕緣進行隔離，當層間絕緣破損或移位時，將在槽內發生相間絕緣故障。2）引接線相間絕緣故障，三相電機繞組引接線，在端部綁扎位置，以及從定子內腔向外引出的過程中，存在與異相直接接觸的現象，當引接線絕緣護套有破損時，較容易出現相間絕緣故障。3）繞組端部相間絕緣故障，端部是相間故障比較集中的部位。對于采用絕緣紙隔離的軟繞組，相間絕緣形狀、大小都直接影響繞組的相間絕緣效果，在電機繞組端部的綁扎、轉序、裝配過程中，會導致電機繞組受損、相對位置發生變化，相間絕緣很可能會發生不同程度的位移，如圖4所示。相間故障在繞組耐電壓的檢查過程中不一定能發現，而在電機整機試驗，或電機帶載運行中，相間故障才表現出來。對于帶繞組鐵芯需進行機加工車削的定子，加工過程金屬進入繞組時，發生相間故障的概率很大，嚴重時會導致繞組毀滅性的破壞。相間絕緣故障特征有別于匝間和對地故障，即故障部位涉及兩相，兩相的線圈均有受損跡象，按照相間故障程度的不同，故障表象為局部損傷，一般不會蔓延到繞組的另一端。但是對于相間絕緣不是很嚴重的故障，會因為繞組局部的發熱問題，導致一相或兩相線圈發生匝間，對于故障點與鐵芯接近的故障，還有可能引發對地絕緣故障。繞組加工過程中，端部整形時，工具不合適、用力重擊，電磁線接頭部位不規則，都有可能導致相間絕緣受損；繞組運輸及裝配過程中，端部受外力磕碰，同樣會導致相間絕緣故障。

3 匝間絕緣故障的產生原因和故障表現

匝間絕緣故障是電機繞組比較常見的電氣故障之一。對于單根導線自身截面較大的情況，線圈的匝數相對較少，繞組出現匝間故障的概率相對較小；而對于單根導線截面較小的情況，線圈的匝數會很多，繞組發生匝間絕緣故障的幾率就相對較大。對于多根導線并繞的情況，單圈中本束導線之間不存在匝間絕緣問題，而不同圈之間的導線則存在匝間絕緣問題。相對而言，成型線圈的匝數相對較少，軟繞組線圈的匝數一般比較多，因而對于低壓大功率、高壓電機及特殊工況運行的電機，建議采用成型繞組。1）制造過程中產生的匝間絕緣故障，對于自帶絕緣層的導線，無論是漆包線還是云母線，理論上電磁線自身的匝間絕緣可以耐受匝間電壓的沖擊，但在電機繞組的實際加工過程中，總有一些環節會導致電磁線絕緣層受損，如圖5所示。有些損傷即使通過浸烘工藝也無法得到彌補，或是補強效果不足，最終在電機試驗或實際運行中出現匝間故障。在電機的繞線、嵌線、接線、運輸和裝配過程中都有可能導致電磁線絕緣層受損，除生產加工對電磁線的損傷外，電磁線本身的質量性能非常關鍵，電磁線絕緣層附著性、絕緣層均勻程度，導體的光滑程度都直接影響到電機繞組的可靠性。而對于成型繞組，線圈拉型過程中，對電磁線絕緣層的機械強度要求較高，質量不良的電磁線，往往會因此而出現絕緣層破損問題，導致嚴重的匝間絕緣故障。針對該問題，設計過程中電磁線的選擇，繞組加工工藝的滿足程度都非常重要，應避免加工過程中對電磁線絕緣層的損害。按照繞組的加工工藝，浸漆和烘干過程中，應盡力增加絕緣漆的填充效果，為了保證浸烘效果，設備的選擇、絕緣漆的性能參數、過程工藝參數及工藝執行程度，都是生產加工過程控制的重點。2）使用過程中匝間絕緣故障，生產制造過程中電磁線受損的部位，是電機運行過程中的潛在質量隱患，除此以外，繞組中與電源直接連接的首個線圈，在電機啟動過程受沖擊最嚴重，而在電機繞組嵌制過程中，該線圈往往又變形最嚴重，從電機匝間故障的案例分析發現，沒有強化措施的電機繞組，匝間故障大多發生在首圈，對繞組首圈進行了特別的絕緣措施，可以有效降低繞組的匝間故障。

4 結論

電機繞組的對地絕緣和相間絕緣通過測量電機對地和各相之間的絕緣電阻和工頻耐壓試驗進行檢測確認，匝間絕緣通過繞組匝間實驗進行檢查確認。對絕緣存在故障的繞組或加強絕緣應進行徹底修理，確認無法修復的繞組或引接線應進行更換，確保電機絕緣良好，避免引起不可修復的電氣絕緣故障。

[1] 陳金剛, 張紅枝, 劉志堅, 籠型三相異步電動機定子繞組燒壞原因解析[J]. 船電技術, 2019, 08: 59-61．

[2] 陳金剛, 王強. 鼠籠式三相異步電動機溫升解析[J]. 電機技術, 2013, (01): 40-43．

[3] 王強, 陳金剛. 三相異步電動機絕緣強度測試解析[J]. 防爆電機, 2012, (05): 51-54．

Analysis and Treatment of Insulation Fault of Three-phase Asynchronous Motor

Chen Jingang, Hou Zhaoting, Sun Jianchao

（DeZhou HengLi Electrical Machinery CO.,LTD, Dezhou253000, Shandong, China）

TM343

A

1003-4862（2021）06-0112-03

2020-12-01

陳金剛（1974-），男，高級工程師。研究方向：低壓電器設備的設計，選型，檢測和故障分析。E-mail: cjg2516@163.com